新工科背景下的“电子技术”课程的教学改革和工程实践

摘要：在“新工科”范式特征要求下，本院机械电子工程专业“电子技术”这门课程在培养学生工程能力等方面面临诸多挑战。在学科交融性、知识体系多样性等方面注重学生工程意识的培养，拓展多种途径引导学生积极参与工程实践。工业化和信息化高度融合的“新业态”发展，计算机与电子技术在数字产业链中的交融和谐共生发展，多种合作发展模式迫切要求“电子技术”课程教学与企业行业应用同步。基于MATLAB/SIMULINK平台，本文以“三相整流桥式整流电路”为例进行了纯电阻负载和阻感性负载的仿真教学，可增加学生的直观视觉体验，便于学生理解理论知识。一系列教学改革和工程实践表明，“电子技术”课程在融合、集成、创新、共享及智能诸多方面已取得初步成效。

关键词：电子技术；教学改革；工程实践；新工科；

“新工科”倡议是我国工程教育对“互联网+”“中国制造2025”“一带一路”倡议等国家重大战略的积极响应［1］。当前工程教育依然深受科学范式与技术范式的影响，应当回到以实践、设计及综合为核心的轨道上来，从而体现工程教育的工程主体性，新工科内涵要进一步强调“前沿技术引领性”“学科间交融性”“知识体系多样性”“人才培养创新性”等。图1为新工科范式特征分析。

图1新工科范式特征分析

“电子技术”课程是机械工程学院机械电子工程专业非常重要的一门专业核心课，其内容包含了模拟电子技术、电力电子技术和数字电子技术三大知识体系模块。对于“电子技术”这门课程，本学院在机械电子教研室主任的领导下开展教研室活动，并选择了天津大学电工学教研室精心编著的《电子技术（电工学Ⅱ）》这本教材。该教材一共十章，其中第1章至第4章是模拟电子技术内容，第5章是电力电子技术内容，第6章至第10章涵盖“数字电子技术”课程［2］。该课程知识点繁多复杂，且工程性和应用型较强，需要培养学生的工程意识、单学科向多学科交叉渗透学习的能力及终身学习的意识。

1本院“电子技术”课程面临的挑战

在多次的教研室研讨活动及督导的指导下，本院的“电子技术”课程相比于课程建设初期取得了显著的进步，已经建立了较为健全统一的教学大纲、实验大纲、实验讲义等教学课程体系，但依然面临若干挑战，主要表现在理论学时偏少和教学内容繁多的矛盾；学生工程意识不够，对理论知识理解不够透彻；教学方式单一；实验设备陈旧。因此，对“电子技术”课程进行教学改革和探讨显得尤为必要，培养学生的工程能力，以期在融合、集成、创新、共享及智能诸多方面取得显著性成效；引入仿真教学，增加学生的直观视觉体验，便于学生理解理论知识。

2工程能力的培养

工程教育的基本理念是培养符合设计要求的工程师，既注重各门课程理论和实践的有机结合，又注重培养综合应用多学科知识解决实际工程问题的能力，目标在于培养符合设计要求的工程师。在“电子技术”的教学过程中，强化培养学生的工程能力，是工程教育理念和培养卓越工程师的迫切需求。鼓励学生积极参与各种各类竞赛，以赛促练、赛练结合，培养学生的工程实践能力。在实践环节中，引入简单可操作的验证性实验是远远不够的，还需要引入一些综合设计型实验，让学生主动去改进实验、设计拓展并探索。引导学生主动进入开放的工程训练中心实践，有限的实验学时可能限制了学生的创新潜力的开发，工程实训中心的开放为学生提供了便捷的实验环境和条件。

在“电子技术”的教学过程中，主动强化培养学生的工程意识。讲解三极管时，对于三极管的分类可从不同的角度进行分类，可按材料、功率和工作频率进行分类，不能只照本宣科地局限介绍三极管的电气符号，还应介绍几种半导体三极管的外形、命名方式，并利用万用表课堂讲解如何判断一个三极管的好坏、如何区分PNP型三极管和NPN型三极管，如何识别三极管的发射极、集电极和基极。在第二章的讲解过程中，主要介绍了两种放大电路：共射放大电路和共集放大电路。对于共集放大电路的讲解，要求学生课后自己画电路图，并分别进行静态分析和动态分析，并比较和总结共射、共集和共基放大电路的特点，哪些电路是用于放大电压、电流，输入电阻和输出电阻的大小以及每种放大电路的用途。多级放大电路的耦合方式，阻容耦合、直接耦合和变压器耦合的优缺点及在集成电路中的应用选择，都可以培养学生的工程意识，为后续引入差分放大电路做好铺垫。介绍甲类、乙类和甲乙类功率放大电路，比较各种电路的优缺点及应用场景。集成运算放大电路的内部四大组成：输入级、中间级、放大级和输出级，分别采用、选用何种电路，把第二章的内容有机地整合起来。虚短虚断的分析方式为理想集成运放的应用埋下伏笔，集成运放可构建模拟运算电路、测量放大电路、各种有源滤波器及振荡器。其中，测量放大器可有效消除干扰信号即共模信号的影响，可广泛应用于各种工业应用；SH电路（采样保持电路）与经典的自动控制原理相关联，联系香农采样定理，结合具体的芯片引脚讲解电路并展现采样保持效果。以各种电力电子器件为核心，覆盖四大电路——整流、逆变、直流变换和变频所表现出来的优越性能和控制精度，结合软开关技术等与电力拖动自动控制系统和电气传动高度关联，是强化学生工程意识的切入点。尤其是在模拟电子技术向数字电子技术讲解的过渡阶段，阐述器件的作用、工作区域和分析方法的区别，通过三极管构建基本的逻辑门、复合门及集成门，将模拟电子技术与数字电子技术有机结合起来。可编程逻辑器件与FPGA（可编程逻辑阵列）、VHDL（超大规模集成电路的硬件描述语言）高度关联，根据培养学生能力目标和兴趣，提供图书馆参考文献目录，借助开发软件进行工程设计。在条件允许的情况下，尽可能地与企业加强合作，建立实验实训基地，不断优化理论教学、实践教学，与企业行业应用同步，从根本上提高“就业力”而非“就业率”。

3电子技术与仿真教学的融合策略

在当前各种工业化和信息化高度融合的“新业态”的高速发展下，各种智能平台、“互联网+”的创新教学模式如雨后春笋般应运而生。在数字化时代，计算机与电子技术合作发展的模式和方法主要表现在：高性能和智能化的技术集成模式、协同创新和资源整合的产业协同模式、精准决策和个性定制的数据共享和分析模式、开放技术和交叉学科的创新平台模式［3］。其具体在以下领域合作共生发展：“互联网+”平台、物联网、人工智能、自动驾驶技术、电力系统、5G网络、边缘计算、云平台、机器人等领域。

MATLAB软件具有强大的计算能力、便捷的程序设计及若干与其他接口的工具箱及拓展功能，其应用覆盖了线性代数、概率统计、电力系统等若干领域，可视化的图形用户界面具有直观、灵敏、便利等优点。对于“电子技术”这门课程，将“电子技术”教学融入MATLAB/SIMULINK仿真教学［4］，可视化的仿真运行和可操作的参数调试可带给学生直接的视觉体验，结合公式推导便于理论讲解和传授。

“三相桥式全控整流电路”是目前电力工业电子技术中应用广泛的整流电路，本文以三相桥式全控整流电路技术为例，分别针对带纯电阻负载和阻感性时不同的触发角的仿真教学。

3.1纯电阻负载时的工作情况

基于MATLAB/SIMULINK仿真平台，SIMPOWER工具箱建模，在SIMULINKThreePhaseSource找到三相交流电源，在Simulink/Sources/PulseGenerator/Thyristor，6pulse模块组中找到六脉冲触发器，打开Simscape/Powersystems/Specializedtechnology/fundamentalblocks，找到powergui，分模块搭建如图2的三相桥式全控纯电阻性负载的MATLAB仿真模型。

在三相对称电源的频率设为50Hz、电压峰值为314V时，设置纯负载电阻为10Ω时，设置触发角为30°的仿真结果如图3所示。

3.2阻感负载时的工作情况

在图3的仿真模型中，只需要对负载做一些修改即可。负载电阻R=10Ω，负载电感L=0.04H。三相桥式全控整流电路在阻感性负载时，设置触发角为30°的仿真结果如图4所示。

结语

本文从介绍“新工科”范式特征出发，通过分析当前本院“电子技术”课程存在的问题及面临的挑战，依据“电子技术”这门课程学科交叉强、知识体系多样的特点，从提高工程意识和引入仿真教学等两个维度进行教学改革和引导学生进行工程实践活动。结合与其他课程及应用领域高度关联的特点注重工程应用，培养学生工程意识和提高学生工程能力。引入仿真教学，可增加学生的直观视觉体验，便于学生理解理论知识。积极鼓励学生参加各种各类比赛，引导学生创新创业，与“互联网+”平台、物联网、人工智能、自动驾驶技术、电力系统、5G网络、边缘计算、云平台、机器人等领域深入融合，在融合、集成、创新、共享及智能诸多方面已取得初步成效。

参考文献：

［1］陆晓燕，冯正勇，肖顺文.新工科背景下电子专业工程实践改革与创新［J］.科技风，2022（15）：6264.

［2］刘全忠主编.电子技术（电工学Ⅱ）［M］.5版.北京：高等教育出版社，2023.

［3］果辉.计算机与电子技术在产业链中融合应用［J］.集成电路应用，2023，40（08）：356357.

［4］石婷，雷飞，奥顿，等.电子技术的远程虚拟仿真实验教学模式探索［J］.教育教学论坛，2023（32）：8689.

作者简介：徐志佳（1981—），女，土家族，湖北恩施人，硕士，副教授，研究方向：电力电子与电气传动。